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      基于物聯(lián)網(wǎng)的精準農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計

      2016-11-09 23:55吳夏艷郝嘉駿肖麗萍王輝
      數(shù)字技術與應用 2016年9期
      關鍵詞:物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測

      吳夏艷 郝嘉駿 肖麗萍 王輝

      摘要:隨著物聯(lián)網(wǎng)信息技術的高速發(fā)展,精細農(nóng)業(yè)越來越成為我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展重點。為滿足精準農(nóng)業(yè)對環(huán)境監(jiān)測的需求,以物聯(lián)網(wǎng)技術為基礎,結合無線傳感技術,建立精準農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng),該系統(tǒng)從數(shù)據(jù)節(jié)點的信息采集、系統(tǒng)基站和遠程監(jiān)控系統(tǒng)三個方面進行分析,最終實現(xiàn)了對農(nóng)業(yè)現(xiàn)場光照、溫度、濕度、二氧化碳濃度等要素的智能監(jiān)控。

      關鍵詞:物聯(lián)網(wǎng) 精準農(nóng)業(yè) 環(huán)境監(jiān)測 傳感節(jié)點

      中圖分類號:TP202 文獻標識碼:A 文章編號:1007-9416(2016)09-0181-02

      1 引言

      傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)模式下導致的產(chǎn)品質(zhì)量問題,資源利用率不足,生態(tài)環(huán)境污染,多樣化的品種需求等諸多問題使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不能達到良性循環(huán)的需求。而隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展,精準農(nóng)業(yè)為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供了一個可持續(xù)發(fā)展方向,智能精準農(nóng)業(yè)將逐步取代傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn),這不僅是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢,更是符合我國當代國情的選擇[1]。智能精準農(nóng)業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)高效利用各類農(nóng)業(yè)資源以及改善環(huán)境,促進農(nóng)業(yè)發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變。大幅度提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力同時,也是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)高質(zhì)量、高產(chǎn)量、高環(huán)保和低耗能的可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。

      2 系統(tǒng)總體設計

      2.1 需求分析

      在精準農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)部署各類無線傳感器設備,用來種植現(xiàn)場的土壤溫濕度、空氣溫濕度、光照強度以及二氧化碳濃度等環(huán)境參數(shù)。農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)各類傳感設備采用電池供電,農(nóng)業(yè)信息采用無線傳輸。各農(nóng)業(yè)大棚園區(qū)內(nèi)配備1套路由節(jié)點、無線網(wǎng)關節(jié)點等構成信息采集傳輸設備,覆蓋整個農(nóng)業(yè)大棚區(qū),同時,大棚內(nèi)還應配有少量固定生活供電設備,為風機、加熱器、電卷門、水泵等執(zhí)行部件供電。最后,從實現(xiàn)功能上講,農(nóng)業(yè)大棚現(xiàn)場信息傳輸通過Internet實現(xiàn)與后臺服務器交互,并通過接受控制指令、響應執(zhí)行設備,實現(xiàn)對大棚內(nèi)的智能卷簾、噴水、通風等智能控制,調(diào)節(jié)農(nóng)業(yè)現(xiàn)場作物環(huán)境。

      2.2 系統(tǒng)體系結構設計

      2.2.1 系統(tǒng)總框架

      圖1為系統(tǒng)總體結構設計示意圖的具體展示,整個系統(tǒng)包含有無線通信網(wǎng)絡、Internet網(wǎng)以及3G/4G通信網(wǎng)絡。從應用層面講,系統(tǒng)由感知層、網(wǎng)絡構架層和應用層三部分組成。感知層由大棚內(nèi)部若干傳感節(jié)點組成,用于獲取農(nóng)業(yè)現(xiàn)場環(huán)境參數(shù);網(wǎng)絡構架層由路由網(wǎng)關、3G/4G通信網(wǎng)絡模塊和移動基站構成,實現(xiàn)信息通訊;應用層由Web服務器和SQL數(shù)據(jù)庫構成,用來實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息存儲以及發(fā)布。

      2.2.2 信息采集系統(tǒng)

      信息采集系統(tǒng)實現(xiàn)大棚內(nèi)溫濕度、光照強度和土壤含水量等數(shù)據(jù)信息的采集和控制。用戶可能通過訪問服務器監(jiān)測大棚內(nèi)部環(huán)境參數(shù),還可控制現(xiàn)場執(zhí)行部件。

      3 硬件系統(tǒng)設計

      3.1 總體硬件設計

      圖3所示,系統(tǒng)的總體硬件設計以MCU為控制中心搭載傳感器、電池以及射頻模塊組成,實現(xiàn)對大棚內(nèi)環(huán)境實時檢測并采集數(shù)據(jù)。具體而言,各個硬件模塊通過ZigBee無線網(wǎng)絡將種植現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)信息與標準生長環(huán)境參數(shù)對比,由無線收發(fā)模塊進行傳輸數(shù)據(jù),從而實現(xiàn)對大棚內(nèi)環(huán)境信息的進行遠程控制[2]。

      3.2 傳感器節(jié)點硬件設計

      圖4傳感器節(jié)點主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)控制處理模塊,實現(xiàn)功能包括對節(jié)點數(shù)據(jù)處理的算法、節(jié)點的通信算法,以及節(jié)點的多任務處理,包括外部傳感器模塊、處理器模塊、按鍵模塊、LED模塊、JTAG接口、供電模塊和無線通信模塊等。

      4 系統(tǒng)實現(xiàn)與監(jiān)測實驗

      4.1 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)方案

      一體化控制器、執(zhí)行設備以及相關線路等構成了整個控制系統(tǒng)。通過控制器可以自由控制各種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)執(zhí)行設備,如:噴水系統(tǒng)(可支持噴淋、滴灌等)、空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)(可支持卷簾、風機、通風等)、光照調(diào)節(jié)系統(tǒng)等。圖5為軟件總體設計示意圖[3]。

      4.2 上位機(PC機)監(jiān)控界面

      經(jīng)測試,系統(tǒng)軟硬件均工作正常,可實現(xiàn)預期目標中絕大部分功能。通過ZigBee節(jié)點組網(wǎng)測試實現(xiàn)各節(jié)點間組網(wǎng)并能正常通信;通過傳感器節(jié)點控制實現(xiàn)溫室的遠程控制功能;通過ZigBee與GPRS間的聯(lián)合調(diào)試,實現(xiàn)終端節(jié)點采集光照并由GPRS模塊發(fā)送采集數(shù)據(jù)到手機,實現(xiàn)溫室遠程監(jiān)控的功能;系統(tǒng)充分發(fā)揮了ZigBee具有強大的網(wǎng)絡擴展功能,結合GPRS模塊可實現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息傳輸?shù)亩鄻有浴D6為環(huán)境監(jiān)控界面。

      如圖7所示包含了溫度傳感器模塊的網(wǎng)絡地址,溫度信息,及上傳時間。上位機收到的信息首先進行預處理,存入數(shù)據(jù)庫,然后再從數(shù)據(jù)庫讀取出,根據(jù)時間信息,畫出歷史曲線圖。

      5 結語

      本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的精準農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)方案,可實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)大棚中各種環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)測,大大節(jié)約了農(nóng)業(yè)管理者的勞動成本,同時,對農(nóng)作物的生長和實現(xiàn)對溫室大棚環(huán)境的實時監(jiān)控,為提高農(nóng)作物產(chǎn)量提供了強有力的數(shù)據(jù)支持。該系統(tǒng)設計方案系統(tǒng)界面穩(wěn)定,操作界面簡單且擴展性強具有較好的應用前景。

      參考文獻

      [1]楊超,魏東,莊俊華.基于ZigBee無線網(wǎng)絡技術的地下車庫照明節(jié)能控制系統(tǒng)研發(fā)[J].電工技術學報,2015(S1):490-495.

      [2]張雄,秦會斌,毛祥根,等.基于ZigBee無線網(wǎng)絡的室內(nèi)溫度監(jiān)測系統(tǒng)[J].電子質(zhì)量,2015(2):13-17.

      [3]李頎,馮宇謙,周曉嵐.基于ZigBee無線網(wǎng)絡的養(yǎng)殖場信息監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].陜西科技大學學報(自然科學版),2016(01):164-170.

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